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SENSORIAMENTO REMOTO

PRINCÍPIOS FÍSICOS

Prof. Dr. Carlos Roberto de Souza Filho DGRN - IG - UNICAMP

UNICAMP

Introdução ao Sensoriamento Remoto – GN-207

Instituto de Geociências Universidade Estadual de Campinas

FONTES NATURAIS E ARTIFICIAIS DE REM

FONTES NATURAIS: SOL, Terra, radiotividade FONTES ARTIFICIAIS: Radar, Laser

SOL: fonte natural mais importante

En. SOL interação substâncias na sup. terrestre

“n” fenômenos (reflexão, absorção,

transmissão, aquecimento, ...)

TODOS investigados

pelo S.R.

FONTES DE REM: espectro de emissão => (contínuo) ou (distribuído em faixas discretas) • SOL: emite REM distribuída continuamente da região dos Raios-X até microondas do EEM • RADAR ou LASER: emitem REM concentrada em faixas estreitas do EEM

RADIAÇÃO SOLAR E TERRESTRE: natureza complexa; interação de diversos fenômenos físicos

MODELO TEÓRICO IDEAL => RADIAÇÃO DE CORPOS NEGROS

aproximação

FONTES NATURAIS E ARTIFICIAIS DE REM - Corpos Negros

•  TODA substância c/ temperatura superior à do ZERO ABSOLUTO (0°K = - 273°C) EMITE REM como resultado de suas oscilações atômicas e moleculares.

•  Uma fonte de radiação eletromagnética é caracterizada por um espectro de emissão que pode ser contínuo ou distribuído em faixas discretas.

•  Para descrever o espectro de emissão, utiliza-se o conceito de corpo negro.

•  CORPO NEGRO: •  radiador ideal e hipotético que absorve toda energia incidente e re-emite toda energia por ele recebida. •  seu estudo permite a compreensão de como os objetos atuam quando refletem ou emitem energia.

•  Principais LEIS físicas que definem suas propriedades: •  LEI DE STEFAN BOLTZMAN •  LEI DE DESLOCAMENTO DE WIEN •  lei de Lambert •  lei de Kirchoff •  lei de Planck (e derivadas)


CONCEITOS IMPORTANTES •  Fluxo Radiante: energia irradiada pelo Sol. •  Irradiância Espectral:

•  quantidade de radiação (fluxo radiante) que INCIDE sobre uma superfície por unidade de área e comprimento de onda.

• Emitância: •  quantidade de radiação que DEIXA determinada superfície (fonte)por unidade de área. •  energia radiante emitida por segundo e por unidade de área superficial. •  En/seg = potência => EMITÂNCIA = W/cm2 ou W . cm-2

•  Radiância:

•  quantidade de radiação que DEIXA determinada superfície (fonte) por unidade de área em determinada direção de medida (inclue radiação emitida e refletida pelo alvo). •  considera a emitância (ou energia radiante emitida) variando com a direção •  portanto, equivale à POTÊNCIA emitida por cm2 por unidade de ângulo sólido (esferorradiano).


Um esferorradiano (sr) = ângulo sólido subentendido por uma área (A) na superfície da esfera igual ao quadrado do raio da esfera (r2)

ângulo sólido = ângulo cônico =

A/r2

∴ esfera = 4 π stereoradianos de ângulo sólido

LEI DE STEFAN-BOLTZMAN => a quantidade de En que um objeto radia é função de que? => T


•  M = τ . T4 => onde, M = emitância radiante total (em todo espectro) (W m-2)

T = temperatura em °K τ = cte. de Stefan Boltzmann = 5,67 . 10-8 W.m2

•  “a emitância de um corpo negro é proporcional à quarta potência de sua temperatura”

LEI DE (‘deslocamento’) WIEN => relação entre λ e T?

•  λmax = A/T => onde, λmax = comprimento de onda -> radiação espectral máxima A = 2898 µm . °K T = temperatura

• “o comprimento de onda correspondente à radiação espectral máxima desloca-se em direção aos comprimentos de onda menores, à medida que a temperatura aumenta”


Curva de radição de um corpo negro sob a temperatura solar

Curva de radição de um corpo negro sob a

temperatura de uma lâmpada incandescente

Curva de radição de um corpo negro sob a

temperatura da Terra (373°K = ebulição d´água)

COMPRIMENTO DE ONDA (µm) 0.1 0.2 1 0.5 2 10 5 20 50 100

101

1

102

103

104

106

105

107

108

109 visível

EM

ITÂ

NIC

A (W

m-2µ

m -1

)

1000°K

6000°K

200°K 300°K

2000°K

3000°K

500°K

4000°K

CURVAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA PARA CORPOS NEGROS A TEMPERATURAS ENTRE 200°K E 6000°K

As áreas sob estas curvas são iguais a energia total emitida em todos os comprimentos de onda.

As curvas ilustram graficamente o significado da ´Lei de Stefan- Boltzmann´. Quanto maior a temperatura do objeto maior é a quantidade de radiação que ele emite.

Note que há um ´shift´, na direção de comprimentos de ondas mais curtos, nos picos de distribuição de radiação dos corpos negros, à medida que a temperatura aumenta (´Wien´s Displacement´ - linha tracejada).

600 K-1000K - ´queimadas´


0 2 4 6 10 12 8 16 14

corpo negro

água

Comprimento de Onda (µm)

Emitâ

ncia

Medidas experimentais de emitância obtidas sobre água límpida revelam que esta comporta-se como um corpo negro quase ideal. Teoricamente, a medida da energia emitida por corpos d’água no infravemelho de ondas médias e de longas deveria fornecer a temperatura verdadeira da superfície. Na prática, entretanto, existem complicações resultantes do aquecimento e resfriamento do ar imediatamente acima da superfície. Somente aproximaçoes e medidas de temperatura relativa são possíveis considerando-se a água.


INTERAÇÃO ENTRE A REM E A ATMOSFERA

Toda a radiação solar detectada por sensores remotos necessariamente passa pela atmosfera. A atmosfera é o ´meio´ dentro do qual a REM viaja do sol para o sensor.

Por exemplo, antes de ser captada por um sensor a bordo de um satélite que utilize radiação solar refletida (´foto do espaço´), a radiação solar passa descendentemente pela atmosfera para então retornar ao sensor (caminho e interação duplos: longo e complexo). Um sensor termal aero-transportado por sua vez, detecta a energia emitida diretamente por objetos na superfície da terra (caminho e interação únicos: curto e simples)

O efeito total da atmosfera varia conforme o tipo de caminho percorrido pela REM, a magnitude do sinal sendo imageado, as condições atmosféricas locais e os comprimentos de onda envolvidos.

A atmosfera pode afetar a intensidade e composição espectral da REM disponível para um determinado sensor, principalmente através de mecanismos de espalhamento, absorção e transmissão atmosférica. Outros efeitos atmosféricos, que não serão abordados aqui em detalhe, são: efeitos de massas de ar, refração atmosférica, turbulências e emissão atmosférica.


ABSORVIDA PORGASES

ATMOSFÉRICOS

ESPALHADA PELA

ATMOSFERA

REFLETIDADA

SUPERFÍCIE

EMITIDA DA

SUPERFÍCIE

Interação da luz solar com a atmosfera e a superficie terrestre

ABSORVIDA PORMATERIAIS DA

SUPERFÍCIE


ATMOSFERA – Composição

Elementos Gasosos

Vapor d’Água

N2 – 78% O2 – 21% Ar – 0,9% CO2 – 0,03% O3 – 0,01% SO2 NO2 He H

0 a 4%

Aerossóis Ar Seco

Massas Líquidas Massas Sólidas


ATMOSFERA – Composição - Aerossóis

Variáveis no tempo e no espaço, relacionando-se com as condições de produção e transporte.

Partículas líquidas ou sólidas microscópicas (raio de 10-3 a 102 mm) dispersas e em suspensão na atmosfera; diferentes da água e do gelo que formam as nuvens.

Concentram-se nas camadas inferiores da atmosfera com tempo de residência de horas a dias.

Núcleos de condensação.

Os aerossóis importantes para a radiação estão entre 0,1 e 1,0µm.

Formas variadas, complexas e irregulares.

Fontes: sal marinho, minerais provenientes dos solos, resíduos vulcânicos, incêndios, partículas de origem biológica, meteoritos, fuligem de centros urbanos e industriais.


ATMOSFERA – Composição - Água

Proveniente da evaporação da água da superfície terrestre.

Possibilidade de existência simultânea nas fases sólida, líquida e gasosa.

Matéria-prima na formação das nuvens.

Agente termorregulador sendo transparente à radiação de ondas mais curtas e absorvedor de radiação de ondas mais longas (infravermelho) contribuindo, assim, para o "efeito estufa" natural.

Perfil muito variável mas pode-se aproximar um decréscimo exponencial.

Presente em detrimento de outros componentes atmosféricos.

Veículo para o transporte de calor na atmosfera.


ESPALHAMENTO ATMOSFÉRICO

Modificação da direção de caminhamento da energia em função da presença de partículas ou moléculas na atmosfera. Provoca uma diminuição na qualidade das imagens, assim como induz o aparecimento de ‘haze’ (imagem toma um aspecto nublado). os efeitos do espalhamento são mais notáveis nos comprimentos de onda do visível e infra-vermelho. Tipos básicos de espalhamento: RAYLEIGH, MIE E NÃO SELETIVO.



ESPALHAMENTO RAYLEIGH (ou molecular): •  é o mais comum e ocorre quando luz incidente encontra partículas ou moléculas de tamanho inferior ao comprimento de onda da REM. •  Espalhamento é proporcional a 1/λ4 (quanto menor for o comprimento de onda maior será a quantidade de espalhamento •  a LUZ AZUL é espalhada 6 vezes mais fortemente do que a LUZ VERMELHA •  este tipo de espalhamento é responsável pela cor azul do céu (a componente azul da luz incidente se espalha mais do que as componentes verde e vermelho).


Direção de incidencia de luz Solar

Particulas < 1/10 comprimento de onda

https://www.youtube.com/watch?v=twSg2zbjjnA


ESPALHAMENTO DE MIE: •  ocorre quando o comprimento de onda de luz incidente é comparável ao tamanho das partículas ou moléculas encontradas. •  vapor d’água, fumaça e poeira são os principais espalhadores de luz na atmosfera terrestre. •  este tipo de espalhamento afeta comprimentos de onda maiores que a luz azul e pode afetar fortemente imagens obtidas em dias claros, sem nuvens, mas com elevada umidade ou com muita poeira em suspensão. •  processo intermediário entre o espalhamento Rayleigh e o não seletivo.


Direção de incidencia de luz Solar


ESPALHAMENTO NÃO-SELETIVO: •  afeta todos os comprimentos de onda utilizados em sensoriamento remoto de forma semelhante •  ocorre quando as partículas atmosféricas causadoras do espalhamento (água e poeira) são maiores (tipicamente com dimensões entre 5 e 100 µm) que o comprimento de onda da energia que interage com o meio. •  neste processo, quantidades similares de luz vermelha, verde e azul são espalhadas, o que dá às nuvens e à neblina a cor branca.


ESPALHAMENTO ATMOSFÉRICO - síntese

Processo Dependência de λ Tamanho rel. part. Tipo de part. Rayleigh λ-4 << λ moléculas de ar Mie λ-4 a λ 0.1λ a 10λ fumaça, bruma, neblina Não-seletivo λ > 10 λ poeira, garoa, nuvem

Partículas Variação do diâmetro (µm) Fumaça, bruma 0,001 - 0,5 Fumos industriais 0,5-50 Poeira 1,0-5,0 Neblina, nuvens 2,0-30,0 Névoa 20,0-50,0 Garoa 50,0-200,00 Chuva 200,0-2.000,0


ABSORÇÃO ATMOSFÉRICA

Os constituintes moleculares da atmosfera absorvem radiação solar. Cada tipo de molécula tem seu espectro de absorção próprio (ou seja, intervalos de comprimento de onda onde a radiação é absorvida). Esta radiação absorvida é retida como energia interna ou re-emitida em outros intervalos de comprimentos de onda. Ozônio, vapor d’agua, dióxido de carbono e metano (gases), são os absorvedores primários de energia. Oxigênio e nitrogênio, os mais abundantes gases atmosféricos, são os que menos absorvem. Energia com comprimentos de onda menores do que 0.3µm (Raios-x e Raios gama) são completamente absorvidos pela camada de ozônio na atmosfera superior. Raios ultravioleta também são bastante absorvidos. Somente microondas e intervalos mais longos de comprimentos de onda são capazes de atravessar a atmosfera sem serem absorvidos demasiadamente.


https://www.youtube.com/watch?v=0b1fqodmZJ0


os comprimentos de onda de raios de luz visível e infravermelha são geralmente transmitidos através da atmosfera. essas regiões de alta transmitância, denominados “janelas atmosféricas”, são regiões do EEM “de onde saem grande parte dos dados de sensoriamento remoto” os intervalos entre as janelas atmosféricas são denominadas “bandas de absorção”. a absorção do ozônio causa bloqueia a energia em torno de 0.29µm, o que também ocorre de modo menos intenso na parte visível do EEM. a absorção na região do infra-vermelho é causada primariamente por vapor d’água e dióxido de carbono (ver figuras)


A radiância que chega ao sensor é uma soma dos efeitos da: (1) Irradiância solar exo-atmosférica

Irradiância no topo da atmosfera

Comprimento de onda (nm)

Irrad

iânc

ia (W

/m^2

/um

)




Tran

smitâ

ncia

Transmitância vs espessura da coluna de vapor d´água na atmosfera

1mm Vapor d´água

5mm Vapor d´água

10mm Vapor d´água

25mm Vapor d´água

50mm Vapor d´água


vapor d’agua – espectro de transmitância


Vapor d’agua – dados AVIRIS – intervalo de 30 min


ozônio, oxigênio, dióxido de carbono, metano - espectro de transmitância


Tran

smitâ

ncia

Espalhamento

CH4


NEAR- INFRARED

(NIR)

SHORT WAVE INFRARED

(SWIR)

400.0 700.0 1000.0 1300.0 1600.0 1900.0 2200.0 2500.0 Wavelength (nm)

Atm

osph

eric

Tran

smitt

ance

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

O3 O2 H2O

O2

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

O2 CO2

CO2

CH4

H2O

RADIO MICRO- WAVE INFRARED UV GAMMA

VISIBLE (VIS)

VISIBLE

The Electromagnetic Spectrum


Rad

iânc

ia (W

/m^2

/um

/sr)

Radiância total espalhada na trajetória (path radiance)

Espalhamento por Aerossóis

Espalhamento Molecular




Radiância espalhada na trajetória

Radiância refletida na superfície

Radiância total que chega ao sensor

Rad

iânc

ia (W

/m^2

/um

/sr)



Radiancia

Radiancia com efeitos atmosféricos e reflectancia na superfície

Atmosfera

Efeitos Atmosféricos & Radiação Refletida por Alvos Terrestres

Radiancia com efeitos atmosféricos

Atmosfera

Comprimento Onda

irrad

ianc

iaComprimento Onda

irrad

ianc

iaComprimento Onda

irrad

ianc

ia

U.V VIS Infravermelho

Energia

0.3µm 1µm 10µm 100µm 1mm 1mComprimento de Onda

Energia do Sol (a 6000°K)

Energia da Terra (a 300°K)

0.3µm 1µm 10µm 100µm 1mm 1m

Transmitância

FONTES DE ENERGIA

TRANSMITÂNCIA ATMOSFÉRICA

0 %

100 %

U.V VIS IV

Olho Humano

FotografiaScanners Termais

Scanners Multiespectrais

Radar e Microondas

Passivas

0.3µm 1µm 10µm 100µm 1mm 1m

EnergiaBloqueada

Comprimento de Onda

Comprimento de OndaProf. Dr. Carlos Roberto de Souza Filho DGRN - IG - UNICAMP

Inter- relação entre Fontes de Energia & Absorção Atmosférica

➤ (A) distribuição espectral da REM emitida pelo Sol e por feições terrestres ; as duas curvas representam as fontes de energia mais comuns utilizadas em sensoriamento remoto ;

➤ (B) azul >> regiões espectrais onde a atmosfera bloqueia totalmente a REM. O sensoriamento remoto é limitado às regiões não bloqueadas (“ janelas atmosféricas ”).

➤ (C) a faixa do EEM percebida pelo olho humano ( visível ) coincide com uma importante janela atmosférica e o pico de energia solar.

➤ (D) energia (“ calor ”) emitida pela Terra é detectável nas janelas atmosféricas compreendidas entre 3-5 µ m e 8-14 µ m, utilizando -se dispositivos conhecidos como scanners termais .

➤ (E) scanners multiespectrais podem imagear simultâneamente múltiplas faixas discretas , entre as regiões do visível e termal .


Inter-relação entre Fontes de Energia & Absorção Atmosférica

➤ (F) Sistemas de Radar e Microondas Passivas operam numa janelaatmosférica entre 1mm e 1m no EEM.

➤ (G) FUNDAMENTAL: compreender a interação e a inter-dependênciaentre:

● as fontes primárias de REM;● as janelas atmosféricas através das quais a energia pode sertransmitida para / a partir da superfície terrestre;● a sensitividade espectral dos sensores disponíveis para captação eregistro da REM.

➤ (H) Um usuário não pode escolher arbitrariamente o sensor a serutlizado para uma aplicação específica de sensoriamento remoto!!!

Em última instância, a escolha do intervalo espectral de um sensor a ser utilizado dependerá da maneira pela qual a energia interage com os objetos a

serem estudados Interação entre REM x Matéria


0.7 – 1.1µm

3.0 – 5.0µm

Video com conteúdos da aula

https://www.youtube.com/watch?v=YILn3I1Yir8 https://www.youtube.com/watch?v=cRlzba7WzFM

https://www.youtube.com/watch?v=_ILvBAVInhI

https://www.youtube.com/watch?v=EaaxivvpyJA

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